Effetto dei tassi di carico organico sulle prestazioni del bioreattore a membrana per comportamenti di trattamento delle acque reflue, incrostazioni e costi economici

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 15601 (2023) Citare questo articolo

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Sebbene i bioreattori a membrana sommersa (MBR) siano ampiamente utilizzati nel trattamento delle acque reflue municipali e nel recupero di potenziali risorse, i parametri operativi della membrana e il controllo del fouling della membrana rimangono questioni dibattute. In questo studio, il trattamento delle acque reflue urbane mediante MBR con fanghi ad alto contenuto di biomassa (MLSS (g/L) compreso tra 5,4 g/L e 16,1 g/L) è stato valutato con tassi di carico organico (OLR) compresi tra 0,86 e 3,7. kg COD/m3g. In questo studio è stata studiata approfonditamente la correlazione tra la pressione transmembrana e la resistenza totale alle incrostazioni. Secondo i risultati, OLR maggiori da 0,86 a 3,7 kg COD/m3d hanno causato una diminuzione dell’efficienza di rimozione di COD, BOD e NH4–N, mentre OLR più alti di 3,7 kg COD/m3d hanno comportato un aumento maggiore della resistenza totale al fouling (Rt ). Lo studio economico sull'utilizzo del sistema MBR ha dimostrato che per una portata progettata di 20 m3/giorno, il periodo di ammortamento derivante dall'utilizzo delle acque reflue trattate sarà di 7,98 anni, il che conferma i vantaggi economici dell'utilizzo di questo MBR per il trattamento delle acque reflue municipali. In generale, comprendere le sfide che l’efficienza dell’MBR deve affrontare migliorerebbe le sue prestazioni e, di conseguenza, la sostenibilità del recupero delle acque reflue.

Il problema della scarsità idrica in Egitto ha spinto un gran numero di studiosi a ricercare soluzioni alternative per ritardare gli effetti catastrofici di questa calamità sulla vita delle persone e sull’economia del Paese1,2. L'utilizzo di acque reflue trattate è una delle possibili soluzioni. Tuttavia, ci sono numerosi problemi a riguardo, tra cui un aumento della complessità e degli effetti dannosi delle acque reflue generate dalle industrie e scaricate nel sistema fognario senza pretrattamento, una situazione che ha portato a politiche idriche rigorose. Utilizzando metodi di trattamento biologico delle acque reflue, compreso il metodo convenzionale a fanghi attivi (CAS), è possibile gestire la maggior parte di queste sfide. Indipendentemente da ciò, questi processi sono caratterizzati da una bassa selettività per numerosi contaminanti, come i microbi e alcuni contaminanti organici3,4. Molti problemi con i CAS possono essere risolti utilizzando il bioreattore a membrana (MBR), un approccio di trattamento alternativo con un ingombro ridotto, un effluente di qualità superiore e una minore generazione di fanghi. Pertanto, gli MBR vengono utilizzati più frequentemente dei processi CAS. I principali fattori che causano la produzione di acqua riciclata di alta qualità da parte degli MBR sono la ritenzione quasi completa di sostanze ad alto peso molecolare, batteri e particelle sospese mediante filtrazione su membrana. Pertanto, come ultima fase del trattamento, separa i solidi dai liquidi in modo molto più efficace rispetto al sedimentatore secondario in un processo CAS5.

Tuttavia, la filtrazione su membrana non può aiutare tanto con la rimozione di fosforo e azoto poiché i processi biologici sono i principali responsabili della riduzione dei nutrienti (fosforo e azoto). Infatti, l’aerazione intensiva e i tempi prolungati di ritenzione dei solidi in un sistema MBR convenzionale possono rendere meno efficace la rimozione dei nutrienti6,7. Tuttavia, le difficoltà legate all'incrostazione delle membrane durante il trattamento dei fanghi attivi hanno ritardato lo sviluppo degli MBR. Pertanto, studi recenti sui sistemi di trattamento delle acque reflue domiciliari basati su MBR si sono concentrati sulle modalità di gestione delle incrostazioni sulle membrane8. Tra questi vi sono la modifica della superficie della membrana, l'uso di un'elevata velocità del flusso incrociato, l'ottimizzazione delle condizioni chimiche o operative e la pulizia idrodinamica9,10.

Vale tuttavia la pena ricordare che l’uso commerciale prevalente degli MBR è limitato a causa dell’incrostazione della membrana. I fenomeni di incrostazione sulla superficie della membrana e all'interno dei pori riducono la stabilità del flusso a lungo termine, richiedendo la pulizia della membrana, con un aumento del costo complessivo. Inoltre, se la pulizia non è efficace nel recuperare flusso sufficiente, anche la sostituzione della membrana è un'opzione11,12. A causa della complessità del fenomeno dell'incrostazione delle membrane, è ancora difficile per gli scienziati che lavorano in questo settore prevederne il comportamento13. Di conseguenza, l’aumento dei costi di manutenzione dovuto al funzionamento a causa di incrostazioni è uno degli svantaggi più significativi dell’MBR, che ne limita l’ampia adozione14.